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基于FPGA交流伺服定位控制系统的研究

作　者: 王军
导　师: 阮健
学　校: 浙江工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 运动控制系统 可编程逻辑阵列 运动控制算法 Verilog硬件描述语言 自动化
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


传统的PID算法因控制器运算速度过慢存在超调量,不能适用于传动部件间隙大的在一些仪器(百分表)和特殊设备(数控机床)上。为提高控制器的运算性能,常采用单片机、DSP等控制系统的芯片为核心并通过软件形式设计实现,然而此方式具有开发周期长、性价比低等缺点。本文以前人在运动控制中应用FPGA技术的研究工作为基础,针对自动定位系统存在超调量等问题进行研究,以交流伺服电机作为研究对象,采用自顶向下设计思想,以FPGA作为控制芯片设计数字电路,搭建了一种基于PC+FPGA的高精度运动控制系统,并对实验测试平台的重复定位精度、定位性能等方面的进行了性能测试,目的是研制一种能单向逼近目标位置的高精度定位系统。论文主要完成了以下工作:(1)分析对比了伺服电机和步进电机性能特性、各种运动控制主控结构的优缺点,并综合运动控制系统精度及其性价比等多种因素,提出了基于PC+ FPGA交流伺服闭环控制系统的实现方案;(2)分析了运动控制系统中各模块的特性,并对运动控制系统各硬件模块(电机、电机驱动器、精密线性导轨、光栅等机械器件)的进行了选型,为实现高精度,各部件都以高精度的标准来选择,是后续实现高精度系统的基础;(3)设计、仿真了基于FPGA数字硬件电路系统。针对硬件模块的选型,以FPGA作为交流伺服系统控制的核心器件,以Quartus II作为开发环境,采用Verilog HDL语言自顶向下的设计方法,设计并仿真了可选参数PID控制器、总线接口、光栅信号处理、PWM发生器及辅助控制等部分模块功能,主要负责运动控制算法及运动规划等工作,并对速度和方向信号的输出、光栅信号进行处理,且还需通过串行总线与上位机PC进行通讯;(4)搭建、测试了交流伺服运动控制实验测试平台。针对实验平台特性,对伺服驱动器、可选参数PID控制器进行了调试,使电机能平稳运行;并对平台进行了重复定位精度、定位性能等方面的性能测试,结果表明,采用可选参数PID控制器,其系统特性优于固定参数PID控制器,系统的重复性较高,其定位误差在[-3,+3](μm )。本文开发的基于FPGA的高精度定位系统以FPGA实现运动控制功能,充分利用FPGA资源等,具有高精度、响应快、可靠性高等优点,可适用于需要被控对象单向逼近目标位置的设备,具有良好的应用前景。

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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